连铸坯动态轻压下二级过程控制系统研究与实现

1、板坯动态二冷与轻压下过程控制系统设计与应用摘 要梅钢2连铸机动态轻压下二级过程控制系统是国内首条自主研发并率先投产应用的控制系统。本文介绍了动态轻压下系统的功能与结构，给出了二级过程控制系统的硬件架构与软件架构，具体分析了软件体系中各进程功能和关系。关键词板坯连铸；动态二冷；动态轻压下；过程控制系统Design and application of dynamic secondary cooling and soft reduction process control system for slab continuous casting machineJI Cheng, ZHU Miao-yo

2、ng(School of Materials & Metallurgy, Northeastern University, Shenyang , Liaoning)Abstract: The dynamic soft reduction level 2 process control system of Meishan No.2 continuous caster is the first one that was developed and applied in production in domestic. The function and structure of the system

3、was introduced, the hardware and software framework of level 2 control system was described，and the function and relation of processes during the software framework was analyzed in detail.Keywords: slab continuous casting; dynamic secondary cooling; dynamic soft reduction; process control system连铸坯轻

4、压下是通过在其液芯末端附近施加压力产生一定的压下量来补偿其凝固收缩量，从而达到减轻甚至消除中心偏析和中心疏松的有效技术。动态轻压下技术可以根据生产条件的改变，在线调节压下作用区域及方式，使铸机在不同生产条件下均具有实施轻压下的能力，是目前代表铸机水平的关键技术。梅山2#板坯连铸机是国内引进的第一条具有全流线辊缝在线调节功能的动态轻压下铸机。随着生产规模的扩大和产品质量要求的提高，原二级系统不能满足生产需求。东北大学与梅钢组成的研究开发组对轻压下工艺和控制过程进行了研究，在原有设备基础上，开发了动态轻压下二级过程控制系统，并投入使用，实现了此技术的自主开发。1 轻压下系统构成及功能实现动态轻压下

5、系统主要由两部分组成即动态轻压下和动态二冷配水。如图1所示，整个系统采用多级控制，两部分除二级控制系统集成于一体，其他各控制层级均相互独立，通信协议各异。系统自上而下分为：过程控制级、总控级、现场控制级、执行设备装置。其中，过程控制级是控制系统的核心部分，内部集成了实时温度场计算模型、动态二冷控制模型、动态轻压下控制模型。图1 动态轻压下系统架构图动态轻压下依靠辊缝在线连续可调扇型段实现。辊缝可调扇型段的内框架四个角部安装有液压缸，每个液压缸均配备有高精度位移传感器，形成液压缸进程控制回路。过程控制系统通过设定扇型段入口和出口值，使得扇型段内、外框架形成锥度，使铸坯受力挤压而收缩完成轻压下实施

6、。生产过程中，过程控制系统能够根据浇铸条件和流线状态实时计算凝固终点位置，选择合适的压下控制参数和扇型段控制状态，调整各扇型段出口入口值，以保证轻压下有效实施于凝固终点处。2连铸机流线共划分为10个二冷区间，其中包括一个窄边冷却区间（1N，位于结晶器出口足辊处），九个宽面冷却区间，其中前三个宽面冷却区（1I/O、2I/O、3I/O）范围内，内、外弧按总水量配水，其他几个区间范围内的内、外弧按比例独立调控配水。生产过程中，二级控制系统能够根据浇注条件和流线状态实时计算表面温度，并在此基础上进行铸坯目标温度反馈控制，调节各区水量，实现动态二冷控制过程。2 过程控制系统硬件架构为保证系统连续稳定运行

7、，采用两台IBM346服务器和IBM DS400磁盘阵列柜组成高可用性群集对外形成单一映像。其中一台服务器为工作机，另外一台为备用机，两机均连接在磁盘阵列柜上。正常情况下，磁盘阵列柜被工作机视为S:盘，备用机对其不可见；当工作机故障或例行维护停机时，备机在10s内迅速启动在线控制程序，同时接管磁盘阵列柜，保证了过程控制系统的连续稳定运行。图2 动态轻压下2级控制系统硬件结构二级过程控制系统通过以太网连接一级控制系统、三级生产控制系统和数据库。二级系统从轻压下一级服务器获取各扇型段液压缸实际值、液压缸动作频率、扇型段状态和各种报警信号；从流线WinCC服务器获取浇铸条件和流线状态，如拉速、浇铸温

8、度、钢种、结晶器宽度、浇铸总长等；从三级控制系统读入钢种成分以计算钢种的特性参数，如固相、液相温度等。根据接受到的数据和实时温度场计算模型传送来的两相区位置、形状信息选择合适的压下位置、压下量、压下速率，在线计算各扇型段液压缸设定值，并将设定值和控制命令下发给轻压下一级MC服务器，完成过程控制功能。同时，数据库记录每个控制周期的液压缸设定值、实测值和扇型段状态信息以便查看。3 过程控制系统软件架构图3 动态轻压下二级过程控制系统软件结构图如图3所示，梅钢2#板坯连铸机动态轻压下二级过程控制系统的软件体系基于C/S模式架构。服务器端相关软件基于Visual C+ 6.0环境开发，包括系统管理进程

9、、主进程、工艺参数设定进程、L1Exchange通信进程、MCClient通信进程；客户端相关软件基于LabVIEW 8.0环境开发，主要功能为过程数据显示。3.1系统管理进程系统管理进程负责系统初始化过程中启动主进程和通信进程；在系统运行过程中，结合系统信息定时检测主进程或通信进程运行状态，如果监测到主进程或通信进程 “没有响应”或否异常退出，则重启该进程；管理进程还负责创建、管理和维护工艺模型计算过程和数据通讯过程中所有的系统日志。3.2主进程主进程是二级过程控制系统的核心进程，集成了实时温度场计算模型、动态二冷控制模型和动态轻压下控制模型，其主要功能为：1）对传送数据进行有效性检验，并将

10、流线信息和浇注条件转变为模型计算所需的离散网格初始状态和边界条件；2）结合生产过程数据进行模拟计算，提供铸坯断面的温度分布、坯壳形状、两相区位置信息；3）根据浇注条件和表面温度计算结果，计算各区二冷水量设定值；4）结合实际生产过程和两相区位置信息，计算各扇型段入口和出口设定值；5）通过人机界面显示动态数据曲线及过程数据，同时将历史数据存入SQL Sever数据库以供进一步查询和分析；6）周期性保存检查点数据至磁盘阵列柜，以供系统在后向恢复过程中使用。图4主进程数据流图5 主进程主界面3.3通信进程由于系统由二冷和轻压下两部分构成，采用两个通信进程分别同各自的一级系统进行通信。L1Exchang

11、e通信进程负责二冷部分相关数据的通信，包括拉速、中包温度、各区实测水量等；MCClient通信进程负责轻压下部分相关数据的通信，包括设定值下发、实测值反馈、扇型段状态等。3.4工艺参数设定进程工艺参数设定进程为工艺工程师调整和优化工艺模型参数提供了接口，通过该进程可以调整模型参数，如水量设定值、压下区间、压下量等，为模型优化提供了便利条件，其界面如图6所示。图6 工艺参数设定界面Fig.6 Interface of setting processing parameters3.5客户端进程客户端进程基于LabVIEW 8.0开发，其主界面如图7所示。其主要功能为过程数据显示和手动更换浇注钢种及其相关工艺、清除扇形段报警和校正扇形段辊缝设定等现场操作。图7 客户端进程主界面4 结束语梅山2连铸机动态轻压下